Methoden der Fernerkundung

Transkript

1 Vorlesung für geographischen Studiengänge Modul MNF-Geogr. 14 Farbsysteme und Objekterkennung Prof. Dr. Natascha Oppelt Arbeitsgruppe Fernerkundung & Umweltmodellierung Geographisches Institut Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

2 Interaktionen der Elektromagnetischen Strahlung Grundlegend: 1. Absorption und Emission 2. Reflexion 3. Transmission und Refraktion Interaktionen in der Atmosphäre 1. Absorption 2. Streuung Interaktionen am Boden 1. Absorption 2. Transmission 3. Reflexion/Refraktion

3 SW-Bilddarstellung am Monitor Photoelektrischer Effekt

4 SW-Bilddarstellung am Monitor Einkanaliges Bild (monochrom) ein Pixel P(z,s) beschreibt die Zeile z und die Spalte s mit einem bestimmten Grauwert 450nm 680nm Quelle: Kappas 1994)

5 Menschliche Farbwahrnehmung Lichtfarben entstehen, wenn ein Objekt sichtbaren Licht emittiert (Quelle: verändert nach Wikimedia 2008)

6 Menschliche Farbwahrnehmung Körperfarben entstehen, wenn sichtbares Licht auf eine Oberfläche trifft und von dieser reflektiert wird (Quelle: Campbell 1996)

7 Menschliche Farbwahrnehmung Helmholtz beobachtete, dass sich aus farbigem Licht dreier Grund- (Primär-) farben jede beliebige Farbe mischen lässt Die Erfassung erfolgt durch Rezeptoren auf der Netzhaut 1. Stäbchen unterscheiden Schwarz/Weiß 2. Zapfen dienen der Farbwahrnehmung Drei Ausprägungen von Zäpfchen mit maximaler Empfindlichkeit in den Wellenlängenbereichen blau, grün und rot Menschliches Auge ist ein passiver Sensor mit einer spektralen Empfindlichkeit von etwa 400 bis 700 nm (VIsible Spectra = VIS) (Quelle: Jensen 2008)

8 Farbsysteme bzw. -modelle Alle Fernerkundungssysteme passen die bildhafte Verarbeitung der Daten an das Farbsystem des menschlichen Auges (RGB) an Die analoge bzw. digitale Verarbeitung der einzelnen Kanäle basieren auf verschiedenen Farbsystemen: 1. RGB Farbsystem: Additives Farbmodell Subtraktives Farbmodell 2. IHS Farbmodell

9 Additives RGB Farbmodell Additives Farbmodell ist das technische Farbsystem, mit dem Monitore (LED-Farbdisplays) arbeiten Farbe wird durch Mischung der drei Grund-(Primär-)farben blau, grün und rot bestimmt Bild setzt sich aus vielen kleinen Flächenelementen zusammen Grundfarben werden addiert (mit ausreichendem Abstand bilden die einzelnen Flächenelemente auf der Netzhaut einen gemischten Farbreiz) (Quelle:

10 Additives RGB Farbmodell Verwendung von Lichtfarben, Beispiel Scheinwerfer Überschneiden sich zwei Grundfarben entstehen die Sekundärfarben Überschneiden sich alle drei Grundfarben sieht man die Tertiärfarbe weiß Hintergrundfarbe = Schwarz (Quelle: Wikimedia 2008) Intensitätsregelung der Scheinwerfer ermöglicht Mischung jedes beliebigen Farbtons

11 Additives RGB Farbmodell Der Farbwürfel ist wie ein dreidimensionales kartesisches Koordinatensystem mit den 3 Achsen der Primärfarben Rot, Grün und Blau Eine RGB-Farbe kann durch 3 Werte angegeben werden Mit dem Farbwürfel kann jede Mischfarbe berechnet werden z.b. bei einer Datentiefe von 8bit braun = 40 R, 30 G, 10 B

12 Subtraktives (CMY) Farbmodell Subtraktives Farbsystem beschreibt die Entstehung von Körperfarben Reflexion von Licht mit bestimmten Wellenlängen erfordert die Absorption von Licht in anderen Wellenlängen Es passiert immer eine Reduzierung (Subtraktion) von Bereichen der EMS (Quelle: Campbell 1996)

13 Subtraktives (CMY) Farbmodell Drei neue Primärfarben Cyan, Magenta und Gelb entstehen durch Absorption von RGB CMY lassen sich nicht aus anderen Farben mischen Verwendung bei Entwicklung von Farbfotographien und im Druck Schwarz als unbunte Farbe (CMYK)

14 Subtraktives (CMY) Farbmodell Geht auch mit Farbwürfel CMY Farbwürfel: Weiß = C 0, M 0, Y 0 = 0,0,0 Braun = C 60, M 70, Y 90 = 60,70,90

15 Farbsysteme - Transformation Darstellungen der Farbräume an Bildschirm (additiv) und Drucker (subtraktiv) sollen sich entsprechen Farbraumtransformationen Grundlage für Darstellung ist der Farbwürfel Umrechnung mit Hilfe von Vektorgleichungen: (R, G, B) = (S, S, S) (C, M, Y) (C, M, Y) = (W, W, W) (R, G, B) Subtraktiv: C 60%, M 20%, Y 30% Additiv: R (100-60)=40%, G (100-20)=80%, B (100-30)=70%

16 IHS Farbmodell Farbe wird durch drei Merkmale beschrieben: 1. Farbton = Hue (als Farbwinkel angegeben) z.b. 0 = rot, 120 = grün, 240 = blau 2. Sättigung = Saturation oder Chroma (Grauanteil) (als %-Wert) z.b. 0% neutralgrau (SW-Fotographie), 100% reine Farbe (keine Farbunterschiede mehr) 3. Helligkeit = Intensity oder Value (als %-Wert) z.b. 0% keine Helligkeit 100% volle Helligkeit (Quelle: Wikimedia 2008)

17 IHS Farbmodell RGB Landsat TM Thailand (Phuket) Hue Saturation Intensity

18 Farb-Bilddarstellung am Monitor Bilddarstellung am PC unterliegt der additiven Farbmischung Beispiele Grauwerte [DN]: Rot Grün Blau Jede Grundfarbe hat 8 bit = 256 DN 16.7 Mio. Farben So viele Farben können Monitore standartmäßig darstellen (Quelle: Internet-Vorlesung Arbeitsmethoden der Fernerkundung Wolfram Mauser, LMU München, verändert)

19 Farb-Bilddarstellung am Monitor Einkanaliges Bild ein Pixel P(z,s) beschreibt die Zeile z und die Spalte s mit einem bestimmten Grauwert. Mehrkanaliges Bild ein Bild gilt als Summe aus mehreren Kanälen; das Pixel P(k,z,s) beschreibt einen Grauwert in einem bestimmten Kanal. Die Anzahl der zusammengefügten Kanäle ist normalerweise 3 Quelle: Kappas 1994) (Quelle: Kappas 1994)

20 Farb-Bilddarstellung am Monitor Landsat TM 5 vom Weilheim TM 5 Kanal Grafik K1 K2 K3 Blau + Grün + Rot = BGR

21 Farb-Bilddarstellung am Monitor Echtfarbendarstellung RGB-Belegung der Graphikkarte entspricht menschlichem Sehen Landsat TM Thailand Falschfarbendarstellung RGB-Belegung der Graphikkarte entspricht nicht menschl. Sehen RGB = TM 5 K 3,2,1 TM 5 K 4,2,1 TM 5 K 5,4,3

22 Farbsysteme - Kanalkombinationen Landsat 7 ETM Outer Banks of North Carolina. After-effects of Hurricane Floyd. Bands 1,2,3 (Quelle:visibleearth.nasa.gov)

23 Farbsysteme - Kanalkombinationen USGS Landsat TM 5 vom Ilsselsmeer, Niederlande (Kanäle 1,2,4)

24 Farbsysteme - Kanalkombinationen Landsat TM, Bands 3,4,7 (BGR), Acquired February 13, 1989 of Hong Kong

25 Farbsysteme - Kanalkombinationen Kanal Bandbreite [µm] Anwendung (Quelle: Verändert nach Kappas 1994) Gewässer, Küstengewässer, Differenzierung Boden-Vegetation, Waldtypen, Chlorophyll, Verbauung Gesunde Vegetation, Pflanzenvitalität, Differenzierung Vegetation-Verbauung, Reflexion von turbulenten Gewässern Unterscheidung Pflanzenarten, Bodentypen, Mineralgehalte Indikator für gesunde Biomasse, Zellstrukturen von Pflanzen, Wasserabsorption Kartierung von Küstenlinien Pflanzenwassergehalt, Bodenfeuchte, Differenzierung Schnee-Wolken, Durchdringung dünner Wolken Vegetationsstress, Bodenfeuchte, Oberflächentemperaturen, geolog. Anwendungen Differenzierung unterschiedlicher Minerale, Pflanzenwasser, Bodenfeuchte (aus Campbell 1996)

26 Kanalkombinationen Erkennbarkeit von Objekten Enthält ein Pixel nur Informationen von einem Objekt Reines Pixel (Lehrbuch) In der Realität enthält ein Pixel (fast) immer die Informationen verschiedener Objekte Mischpixel (meistens Realität) Nur spektral dominante Objekte in ihrer geometrischen Kombination als Pixelgruppen differenzierbar Gültig wenn Objekte > geom. Auflösung Sensor Größe des Objektes < Pixelauflösung Ein Objekt wird nur erkannt, wenn es außergewöhnlich hohe Kontraste verursacht

27 Kanalkombinationen Erkennbarkeit von Objekten Wesentliche Einflussgrößen auf die Erkennbarkeit von Objekten (Quelle: NASA RS tutorial)

28 Vergleich Bild - Karte Luft- oder Satellitenbild Eigenschaften - Sensorabhängige Projektion - Keine maßstabstreue Abbildung - Keine lagetreue Abbildung Inhalt - Information in Bildform - Inhalt kausal bestimmt - Hohe Informationsdichte - Augenblickszustand - Inhalt maßstabsunabhängig - Hoher Aktualitätsgrad Darstellung - Natürliches Bild - Objekte nicht selektiert - Keine Erläuterungen Lesbarkeit und Interpretation - Bildqualität unterschiedlich - Keine deutliche Lesbarkeit - Mehrdeutigkeit möglich - Realistischer Raumeindruck Topographische Karte (Quelle: verändert nach Albertz 1991) - Parallelprojektion - Maßstabsgerechte Abbildung - Lagetreue - Information in graphischen Zeichen codiert - Inhalt konventionell bestimmt - Geringe Informationsdichte, begrenzte Zahl von Zeichen - Kein Augenblickszustand - Inhalt maßstabsabhängig - Geringer Aktualitätsgrad - Abstraktes Bild - Objekte selektiert - Erläuterungen - Kartenqualität einheitlich - Lesbarkeit gegeben - Eindeutige Aussage - Kein realistischer Raumeindruck